Page 7 - 《高原气象》2025年第3期

3 期 杨发利等：BCC-CSM模式土壤分层及其冻融砾石参数化集成方案对青藏高原土壤水热输送的模拟研究 565
ì T i n + 1 > T q and W ice，i > 0， i = snl + 1，…，N levsoi melting
ï ï
ï ï
í T i n + 1 < T q and W liq，i > 0， i = snl + 1，…，0 freezing （1）
ï ï n + 1
î < T q and W liq，i > W liq，max ， i = 1，…，N levsoi freezing
ï ï T i
n + 1 表示土壤各层下一个时间步长的温度。 对于原模式之中土壤层 i 层（ i = 1，…，N levsoi ）的含冰
式中： T i
n + 1
当满足方程（1）之中的冻结判定条件并且 H i < 0时， 量W ice，i 调整的参数化改进为（胥朋飞等， 2022）：
í ( ice，i + W liq，i - W liq，max，i ， W ice，i - H i Δt ) ， W ice，i + W liq，i ≥ W liq，max，i
ì
ï ï
ï ïmin W
n
n
n
n
n
n
n
ï ï 0， L f W ice，i + W liq，i < W liq，max，i （2）
ï ï
n
n
n
î
ì
（2） 在导水率的参数化方案中加入不可渗透分 ï ï ( W liq，i) ù ú ú ü
é
ï ï
ï ï ï ï
ê ê
ice，i
=
f frz，i í exp - α 1 - W + W ú ú - exp (-α) ý ≥ 0（3）
ê ê
þ
数。Oleson et al （2008）在部分不可渗透概念的基 î ë ice，i û ï ï
式中： α 是一个可调参数， 取值为 3。将 Oleson et al
础上计算导水率的公式中加入了一个不可渗透分
（2008）的工作加入到该参数化方案中， 因此土壤各
数， 公式如下： 层导水率K[ z ]计算公式改进为：
h，i
ì é ) ù 2b + 3
ï ï ( ] ) ê ê ê 0.5( θ i + θ i + 1 ú ú ú
z
ï ï[ 1 - 0.5 f frz，i + f frz，i + 1 K sat[ ]ê ê ê ú ú ú 1 ≤ i ≤ 9
h，i
ï ï ë ( + θ û )
0.5 θ
K[ z ] = í sat，i sat，i + 1 （4）
h，i
ï ï 2b + 3
ï ï ( 1 - f ) K sat[ ]êê ê ê é θ i ù ú ú ú ú i = 10
z
ï ï frz，i h，i ë θ sat，i û
î
式中： K[ z ]， θsat，i分别表示土壤各层的饱和导水 并利用青藏高原玛多站的实测数据验证了改进后的
h，i
率和饱和含水量； b是Clapp-Hornberger指数。 方案的可行性。徐悦等（2020）将改进后的土壤砾石
在土壤砾石参数化方面， 潘永洁等人针对青藏 参数化方案耦合到 BCC_CSM 模式， 模式的模拟效
高原砾石含量高的特点， 建立了一套简单的参数化 果也得到了提升。本试验将使用徐悦等人改进的土
方案改善 CLM4. 0 模式对土壤水热过程的模拟（潘 壤砾石参数化方案， 将其耦合到 BCC-CSM 大气环
永洁等， 2015）。随后， 马翠丽等（2020a， 2020b）进 流模式中进行模拟， 改进后的土壤砾石参数化方案
一步改进了该方案， 使其适用于 BCC_AVIM 模式， 如表 1 所示。在原模式中， 仅将沙土含量（单位： %
表1 模式原方案与砾石参数化方案
Table 1 Gravel parameterization scheme and the original scheme
参数 模式原方案 砾石参数化方案
土壤饱和含水量 θ sat，i = 0. 489 - 0. 00126(%sand) θ sat，i = 0. 489 - 0. 00126(%sand) - 0. 00489(%rock)
饱和导水率 K sat = 0. 0070556 × 10 -0. 884 + 0. 015(%sand ) K sat = 0. 0070556 × 10 -0. 884 + 0. 0153(%sand ) × 2(1 - %rock )
(2 + %rock )
可调参数B B i = 2. 41 + 0. 129( %clay) B i = ( 2. 41 + 0. 129( %clay)) × (1 - %rock) + 0. 075(%rock)
土壤基质势 ψ sat = -10. 0 × 10 1. 88 - 0. 0131(%sand ) ψ sat = -10. 0 × 10 1. 88 - 0. 0131(%sand ) × (1 - %rock) + 1. 3(%rock)
土壤容重 ρ d = 2700( 1 - θ sat) ρ d = 2700(1 - %rock)( 1 - θ sat) + (%sand) × ρ r
)
8. 80(%sand + 2. 92( %clay )
土壤固体导热率 λ s = λ s = 7. 7 (%sand + %rock ) × 2. 0 [1 - (%sand + %rock ] )
)
(%sand + ( %clay )
0. 135ρ d + 64. 7
干土壤导热率 λ dry = 2700 - 0. 947ρ d λ dry = 0. 917 × 10 -1. 29θ sat，m
V sand + V clay )
V sand + V clay + V rock )
( 2. 128V sand + 2. 385V clay ( 2. 128V sand + 2. 385V clay + 2. 2V rock
固体土壤热容 C m = × 10 6 C m = × 10 6